Globales Quantennetzwerk: Abhörsichere Quantenkommunikation über 1120 Kilometer

Mit Satellitenhilfe haben chinesische Forscher die Grundlage für abhörsichere Quantenkommunikation über mehr als 1000 Kilometer gelegt. Die Methode erweitere die Reichweite um mehr als das Zehnfache, schreibt das Team um Jian-Wei Pan von der Chinesischen Universität der Wissenschaften und Technik (USTC) in Hefei im Fachblatt „Nature“.

Die Quantenkryptographie verspricht eine aus physikalischen Gründen abhörsichere Kommunikation. Im Zentrum stehen verschränkte Photonen, aus denen Schlüssel generiert werden.

Verschränkung ist eine Eigenschaft der Quantenphysik: zwei Teilchen nehmen einen gemeinsamen Quantenzustand an und haben keine individuellen Eigenschaften mehr. Die Teilchen lassen sich dann auch über große Entfernungen trennen, ohne dass die Verschränkung aufgehoben wird.

Mit zwei verschränkten Lichtteilchen (Photonen) lässt sich ein abhörsicherer Schlüssel bei Sender und Empfänger erzeugen. Ein Lauscher könnte eines der verschränkten Photonen zwar abfangen. Die Manipulation und Messung von Quanteneigenschaften hebt den verschränkten Zustand jedoch auf. Der Lauschangriff könnte nicht unbemerkt bleiben, da sich die Verschränkung nicht wiederherstellen lässt.

Zehnfache Reichweite

Die Verteilung verschränkter Photonen ist allerdings eine Herausforderung, weil Lichtteilchen schnell absorbiert werden. Auf dem Boden liege die Reichweite für den Austausch des Quantenschlüssels bei rund 100 Kilometern, schreiben die Forscher. Mit sogenannten Quantenrepeatern lasse sich die Reichweite erhöhen, jeder Repeater stelle jedoch ein Sicherheitsrisiko für die verschlüsselte Kommunikation dar.

Mit dem Satelliten „Micius“ verteilte das Team nun erstmals Paare verschränkter Photonen auf zwei Bodenstationen, so dass diese direkt einen Quantenschlüssel miteinander austauschen konnten.

Die Forscher vernetzten die Bodenstationen in den chinesischen Orten Delhi (Provinz Qinghai) und Nanshan (Provinz Xinjiang). Die beiden Stationen liegen rund 1120 Kilometer Luftlinie voneinander entfernt und beide oberhalb von 2000 Metern. Die dünnere Luft erlaubt dabei eine bessere Kommunikation mit dem Satelliten.

In diesem Versuch erreichte die Datenrate für die Schlüsselverteilung nur 0,12 Bit pro Sekunde. Es dauerte also rund acht Sekunden, um ein einzelnes Bit auszutauschen. Die Helligkeit der Quelle für verschränkte Photonen auf dem Satelliten lasse sich aber noch um rund das Hundertfache steigern, betonen die Wissenschaftler, so dass eine Datenrate von einigen Dutzend Bit pro Sekunde für den Schlüsselaustausch realistisch scheine.

Das ist zwar weit entfernt von der Megabit-Kommunikation normaler Datennetzwerke, betrifft jedoch nur den Austausch des geheimen Quantenschlüssels, nicht die eigentliche Kommunikation.

Die Arbeit verzehnfache die Reichweite des direkten Quantenschlüsselaustauschs unter Praxisbedingungen von rund 100 auf mehr als 1000 Kilometer und stelle damit einen wichtigen Schritt zu einer robusten Quantenkryptographie über große Distanzen dar, betonen die Forscher. (dpa)